Wasserstoff wird oft klimaschädlich hergestellt. Schwedische Forscher gewannen das Element nun mittels Kunststoff aus Sonnenlicht. Doch es gibt Hürden

Sehr viel Energie: Sonnen­strahlen treffen auf die Erde Foto: Achim Duwentäster/imago

Von Wilfried Urbe

Komplett emissionsfrei und un­begrenzt verfügbar: Wenn man Wasserstoff nur aus Wasser und Sonnenlicht erzeugen könnte, dann wäre das für die Energiewende ein enormer Fortschritt. Eine wichtige Entdeckung auf dem Weg dorthin ist vor Kurzem dem Forschungsteam um Ergang Wang an der ­Chalmers-­Universität in Göteborg gelungen.

Rund zwei Jahre hatten die Forschenden in Schweden an dem Projekt gearbeitet: Im Wasser schwimmende winzige Kunststoffpartikel als Katalysatoren wandelten Sonnenlicht direkt in Kunststoff um. Solch ein Verfahren, bei dem Katalysatoren zum Einsatz kommen, wird Fotokatalyse genannt, und es ist nicht neu.

Die Wissenschaftler brachten leitende Kunststoffe, sogenannte konjugierte Polymere, zum Einsatz. Bisher wurden vor allem Metalle verwendet, um eine chemische Reaktion in Gang zu bringen, bei der durch Lichtstrahlen Wasserstoff entsteht. „Bei dieser Methode wird in der Regel Platin verwendet“, berichtet Post-Doktorand Alexandre Holmes, „aber es ist teuer und nur in begrenzten Mengen verfügbar.“

Wasserstoff ist ein Energieträger, der bei seiner Nutzung kein CO2 ausstößt. Wirklich klimafreundlich ist er aber nur, wenn auch seine Erzeugung klimafreundlich stattfindet. Aktuell werden aber 95 Prozent des Hydrogens noch über fossile Verfahren hergestellt. An umweltfreundlicheren, elektrolytischen und fotokatalytischen Verfahren wird schon länger gearbeitet, die allerdings bisher bei Weitem nicht die Effizienz der herkömmlichen Prozesse er­reichen.

Alexandre Holmes und seine Kolleginnen und Kollegen entwickeln mittels spezieller Verarbeitungstechniken einen leitfähigen Kunststoff, der in kleinsten Teilchen im Wasser verteilt werden konnte. Auf diese Art Wasserstoff zu erzeugen, könnte zukunftsweisend sein. Allerdings gibt es noch einige Hürden, die überwunden werden müssen.

„Um Wasserstoff zu erzeugen, reduzieren wir Wasser zu Wasserstoff, indem wir zwei Elektronen aus unseren leitfähigen Kunststoffen entnehmen, aber das bedeutet auch, dass diese Elektronen wieder zurückgewonnen werden müssen“, erklärt der Post-Doc die Herausforderung. „Im Idealfall würden diese Elektronen durch Oxidation von Wasser gewonnen werden, wodurch Wasserstoff und Sauerstoff entstehen würden, was wirtschaftlich am sinnvollsten wäre. Das Problem ist nur, dass wir das noch nicht können, weil die Oxidation von Wasser sehr schwierig ist.“

Daher hat man an der Chalmers Universität Vitamin C verwendet, das teurer als Wasserstoff ist: „Wir müssen also einen Weg finden, um die Verwendung von Vitamin C zu vermeiden, oder vielleicht Alternativen finden, um es zu regenerieren.“ Damit sei die wirtschaftliche Rentabilität dieser Wasserstoffproduktion immer noch begrenzt. Und solange keine Wirtschaftlichkeit erreicht wird, können auch fotokatalytische Systeme die traditionelle ­Herstellung von Wasserstoff nicht ersetzen.

Ein weiterer Knackpunkt ist die Verwendung von Palladium, um die leitfähigen Kunststoffe zu synthetisieren: „Die wichtige Frage für uns dabei: Hat das Palladium Auswirkungen auf die Wasserstoffproduktion? Daher müssen wir herausfinden, ob dieses Restpalladium am fotokatalytischen Prozess beteiligt ist“, sagt Holmes. In fünf bis zehn Jahren, so die Einschätzung des Wissenschaftlers, dürfte aber auch dafür eine Lösung gefunden werden.

Für die Forschenden in Göteborg ist jedenfalls klar, dass ihre Arbeit das bisherige Paradigma infrage stellt, dass organische Materialien entweder den Einsatz von Edelmetall – Katalysatoren oder Zweikomponentensystemen – erfordern, um eine hohe Wasserstoffproduktion zu erzielen. Alexandre Holmes: „Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für eine neue Generation metallfreier organischer Fotokatalysatoren, mit denen globale Herausforderungen in den Bereichen Energie und Nachhaltigkeit bewältigt werden können.“

Am Fraunhofer IKTS wird ebenfalls an innovativen Wasserstoff-Technologien gearbeitet. „Es geht jetzt hauptsächlich darum, die Industrie zu dekarbonisieren“, steckt Wasserstofftechnologe Karl Skadell den allgemeinen Rahmen ab, „und Wasserstoff brauchen wir heute schon in großen Mengen.“ Der größte Absatzmarkt sei die chemische Industrie beziehungsweise die Düngemittelherstellung, ohne die eine Weltbevölkerung von acht Milliarden Menschen kaum noch ernährt werden könnte.

Der naheliegende Schritt aus Sicht des Gruppenleiters Wasserstofftechnologien am Fraunhofer IKTS ist die „Skalierung“ der „technisch ausgereiften“ Wasserelektrolyse, mit der Wasserstoff durch die Zuführung von Strom, am besten aus nachhaltigen Quellen, jetzt schon hergestellt werden kann.

Es geht darum, die Industrie zu dekarbonisieren

Karl Skadell, Wasserstofftechnologe

Kollegen von ihm am Fraunhofer IKTS haben jedenfalls im ­Rahmen ihres „NeoPEC“-Projekts ebenfalls ein fotoelektrochemisches Ver­fahren entwickelt, bei dem mit Halbleitern beschichtetes Glas kurz- und langwelliges Licht in einem Wassertank absorbiert, um letztlich Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen.

Post-Doc Alexandre Holmes schließlich sieht als eine der ­wichtigsten Aufgaben des Teams an der Chalmers Universität, „wirklich“ zu begreifen, warum diese „leitfähige Katheterisierung“ besonders gut funktioniert: „Denn wenn wir verstehen, wie sie auf chemischer Ebene funktioniert, also wie die tatsächliche Reaktion abläuft, dann können wir auch versuchen, noch leistungsfähigere Materialien zu entwickeln – vielleicht Materialien, die komplementär sind und beispielsweise die Oxidation von Wasser leiten könnten.“

Das Verständnis der Funktionsweise sei also das Entscheidende, um die Leistung und Rentabilität dieser Materialreihe weiter voranzutreiben: „Das ist im Moment eine der größten Herausforderungen. Aber wir werden in Zukunft hoffentlich ein besseres Verständnis darüber gewinnen.“